CN1011544B - 孔口测绘及表面时间测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明包括孔口测绘系统。该系统具有一个或多个用于测量孔口直径的高分辨率超声波测绘传感器，用各传感器垂直射入的脉冲到达孔口表面并返回各传感器的传送时间和校验孔内所测参考反射时间，并用超声波脉冲在浸没液体内的已知速度，从机械地测到的参考直径来决定被测直径，对各轴向转子位置将各传感器所测直径平均以得到平均测量直径；还包括表面时间测量系统。该系统至少有一测量定向射线到达孔口表面并由此返回的所需测距时间的测距传感器。

Description

本发明涉及一种诸如由金属材料制成的孔洞进行孔口测绘及表面时间测量系统，具体地说，本发明涉及一种孔口测绘系统，它能测绘发电厂透平转子孔口的直径并测量为超声波达到孔口表面所需要的时间，以作后来校正由孔口表面折射而成一定角度的射线的传送时间，以便在斜切方式下进行超声波孔口检查的过程中产生一种斜切方式的探寻射线。

发电厂透平机及发电机转子沿着中心轴线的方向在其部分或全部长度上具有直径变化的孔洞。由于转子范围内承受着最高的应力，因此，对于最靠近孔口的裂缝的探测和对裂缝位置的监测，以及对裂缝大小的确定，在决定转子予期寿命方面都具有关键的重要性。于是，在制造过程的结尾以及在转子日常的定期维修过程中，要检查孔口裂缝且有时要对其表面进行全部或部分再加工以消除裂缝。为了准确地完成检查，必须确定在一个特定转子孔口内的精确的几何形状。在检查转子之前，要求决定作为沿孔口轴向位置的一个函数的孔口内径以便能在检查过程中正确地校验及操作探测的传感器。

取得有关孔口直径信息的一个方法是手动地将一个机械测量装置放入孔内，并在沿孔口长度的关键部位将直径记录下来。这种机械测量装置之一称“星规（Star    Gauge）”。“星规”通过设于孔内的机械定位臂测量直径。机械系统的缺点在于规定位法所带来的有限的轴向分辨率以及不可避免的人为误差。此外，这种机械测量装置难 于在孔口的斜度及锥度方面进行调准。

转子孔口的超声波检查包括将一个超声波传感器移动使其穿过孔口，还包括圆周旋转结合轴向位移以使超声波射线穿过所有感兴趣的材料。在液浸式系统中，探测传感器不与孔口表面接触，而只工作在与孔口保持一定距离的地方。所用的浸入液体，诸如被处理过的水，在传感器与转子材料之间提供必要的传声介质。在传感器及其扫描头的每项转动及/或轴向移动过程中，基于下列因素，能够引起超声波在传感器与孔口表面之间所经过的路径卡度发生变化，这些因素是：（1）扫描头相对于孔口表面的摆动，偏转式偏心;（2）常常移动传感器而使扫描头扭转;（3）整个扫描头在进入孔口时调准有误。

被探测到的在转子材料内部的反射部分（裂缝）的位置由对超声波从传感器到裂缝所测到的往返传送时间、探测裂缝时有的传感器位置;以及超声波射线已知的几何路径等进行综合计算来决定。超声波或脉冲在液体耦合介质内与在转子材料中的传播速度是不同的，任何波的实际路径都由水通路部分与金属通路部分所组成。既然只可能测到总时间，因此，为了决定金属通路部分的时间，就必须精确知道水通路部分的时间。由金属通路部分可以算出裂缝距离孔口表面的深度。可以在检查转子之前先被扫描，包括处于已知位置，具有已知大小，已知外形的反射部分的参考或校验组件或孔口，以便采取以下步骤来校验传感器，在该步骤中，先决定超声波的几何路径以便由此建立探测传感器和以后所发现的裂缝之间的关系。如果在一次检查中，超声波脉冲之路径长度及相应的表面时间相对于在校验中测得的路径长度及表面时间，已经发生了变化，而此种变化竟未被计入，则在转子材料中的裂缝位置将被不正确地确定下来。在极端情况下，源自材 料内部的反射可以被解释成由于积存在浸没液体内的气泡所致，或者，在浸没液体内的气泡可以被认为是由于转子本身发生材料断裂或裂缝所引起的表面或表面下的反射。当超声波射线并未垂直射入孔口表面，如在斜切检查方式下那样，则此问题更是特别重要。

在垂直射入的纵波检查方式下，超声波射线射向孔口表面的方向是垂直的或接近于垂直的，并产生一个很强的表面反射返回到传感器，而利用此反射波信号可以对孔口表面定位，据此测得裂缝的位置。而在斜切式的检验方式下，在浸没液体内以与径向成一定角度射向孔口表面的纵波形成斜切波，也就是说，纵波以非垂直的角度射击孔口表面。此角正常约为21°，于是在转子材料内部产生的折射斜切波在脉冲波接触点与表面切线成约45°。在此入射角下，表面反射波将离开传感器入射射线的路径。于是，没有信号返回传感器，因此，不能利用进行斜切波检查的传感器来决定检查射线的水通路部分。

先有技术的浸液式是基于超声波检查系统使用一种安放在孔口上的浸液式传感器，它安装在与孔口相接触的外罩上，因此，可保持传感器与孔口表面有固定的偏移度。这种先有技术系统之缺点在于它对于传感器提出两个相互矛盾的要求。一方面要求传感器外罩必须有一定的径向柔度，以便外罩能正确地跟踪孔口的变化;另一方面要求支持机构又必须有足够的刚性，以便使柔性不致引起位置误差。

如果在斜切方式下超声波射线与孔口表面相接触的表面时间作为园周位置的函数为已知时，则在需要时，可以校正上述的斜切式传感器检查系统所可能产生的位置记录误差。精确的表面时间信息还可以 用来消除其位置紧靠孔口表面的反射点或裂缝所引起的干扰。第一级校正假定自校验之后，转子材料内部的超声波射线路径的几何形状没有变化，而表面时间的变化完全是由于耦合液体路径长度的变化所致。实际上，为了正确确定靠近转子表面裂缝的位置，第一级校正是最为重要的。如果校正表面时间作为园周位置的函数为已知时，也可以完成对折射射线路径的更高级的校正。

本发明的目的之一在于提供一种具有高分辨率的测绘转子孔口直径的系统。

因此，着眼于此目的，本发明乃是一种用于透平转子孔口（12）的孔口测绘装置，其特征在于有一个斜切波方式的探测传感器（72），它产生一束检查射线（76）在孔口的某一园周位置射入转子孔口表面（28）;还有一个纵波测距的传感器（70），它产生一个与探测传感器（72）的射线成已知角q的超声波射线脉冲（74），该射线在园周处垂直射入孔口表面（28），并自孔口表面（28）接收一束测距射线脉冲的反射波;再就是表面时间计算装置（38），它用来测量测距射线脉冲（74）的传送及反射之间的测距传送时间Tr，依据公式Ti＝Tic+（Tr-Trc）/cosq算出表面时间T_i，式中Tic为校验检查时间，而T_rc为在一个校验孔内产生的校验测距时间，该孔对于不同直径的园周位置产生不同的表面时间。

本发明还提供了一种透平转子孔口的测定方法，其特征在于下列各步骤：（a）用在校验孔内的一个测距传感器（70）测量其校验测距射线的表面时间，并具有在校验孔内的探测传感器（72）决定其校验检查射线的表面时间，同时测量校验孔口直径;（b）将测距 传感器设置在测量孔口（28）内某一园周位置上（程序98）;（c）用由测距传感器（70）所发射的测距脉冲（74）测量其测距传送时间（程序90），该射线系由被测孔口表面（28）反射回来并被测距传感器（70）所接收;及（d）根据测距传送时间，校验测距时间，校验检查射线表面时间及在测距传感器（70）和探测传感器（72）之间的已知夹角而算出由探测传感器（72）发射的一束检查射线（76）的表面时间（程序92）。

本发明的最佳实施方案将用举例法阐明，该例之附图如下：

图1所示为定位于一个转子孔口的孔口测绘传感器;

图2示出了用来确定孔口直径的系统所包含的各部分;

图3包括3A及3B，是对孔口直径进行测绘的全过程之程序框图;

图4描绘了在一个表面时间测量系统中的传感器园周位置;

图5表示在斜切方式下，在转子内用超声波探询的校正表面时间之计算过程之程序框图;

图6及图7描绘在一个表面时间测量系统中的轴向传感器位置。

本发明目的在于创制一个孔口测绘系统，它起码使用一个，最好是使用如图1所显示的数个超声波传感器10-16，来测量作为孔口内轴向位置的函数的一个转子孔口的直径。每个传感器被夹具18所夹持，以便超声波射线20-26实际上垂直入射到孔口表面28上。孔口最好充以液体，诸如水，它从传感器10-16至孔口表面28之超声波耦合。作为一个替代方案，也可用一种液体的喷射流或充满液体的凹槽来提供传感器10-16及孔口表面28之间的耦合介质。具有尺寸为0.315至0.635厘米（0.124至 0.25英寸）之发射元件，其工作频率由5兆赫至10兆赫的超声波传感器是最适于完成测绘功能的。此种发射器得自马萨诸塞州的盘纳米垂克（Panametrics），而推荐型式为V110型传感器。

如图2所示，每一传感器30联接至驱动传感器30的脉冲发生器电路32，以及接收由孔口表面28进行超声波反射所产生的电信号的接收器电路34。脉冲发生器电路32以及接收器电路34被一个超声波数据收集系统36所控制，该系统又受控于一台计算机38。计算机38完成为取得所测孔口直径所必要的计算。孔口直径是根据传送脉冲的时间与由孔口表面接收反射波的时间二者之差来取得。

孔口测绘系统是由图1中嵌入的传感器组件来校准的，该组件贴在扫描头的前面，置入一已知直径的园柱形校准孔内。校准孔或参照孔可以是一个已知直径的机械加工组件，或者是被检查的转子孔的一端（条件是如果采用其他方法诸如采用机械卡规可以对转子孔进行准确的机械测量）。

传感器被放入校准孔且环绕旋转360°。运动中，当增量约1.4°时，自每个传感器收集数据。对于从传感器传送到孔口表面并返回之超声波脉冲，数据点为时间T_i。对于每台传感器，计算时间T_cal是指在所有园周位置上的平均时间：

$T_{\mathrm{ca\; l}}=\frac{1}{N}\underset{\mathrm{i\; =\; 1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{T\; i\; (1)}$

当测绘孔口时为了确保使传感器定位的机械联结处于同一等级的应力之下，在数据被收集过程中传感器组件是旋转的。

在本最佳方法中为了取得转子孔口内直径的检查和测绘，在一个固定的园周位置上的表面反射时间，同时，用每一个传感器来算出一个直径。然后，再用这些直径来计算出一个平均直径值。依靠平均的方法。在转子孔口内部的传感器组件由于调整得不够好，而引起的变动不致影响所测的直径。

为了测绘孔口，传感器组件被放入孔口内部以便从传感器10-16发出的超声波实际上将在测量的轴向位置正交或垂直投射到孔口表面。通过测量超声波传送时间T_S及按下式计算直径D可得到直径读数：

D＝D_cal+V（T_s-T_cal） （2）

在方程式（2）中，D_cal是校准孔的已知直径，T_cal是用特定传感器而在校准过程中所得到校准孔内超声波的传送时间，而V是指在一种耦合液体浸没液体中的已知声速，在组成成份及温度变化时可得到校正。水中含有防腐蚀的防腐剂，是一种合适的浸没液体。通过将所有传感器测得的所有直径取其平均值可得到最后的直径。

在测绘孔口内部的过程中，开始要将图1的孔口测绘传感器组件移动到一个起始轴向位置A1上如图3所示。在本讨论中，Z轴将被用于指示孔口轴向中心线，而APOS则指示沿Z轴的现在轴向位置。当定位于起始位置A1之后，将在一个循环闭路内维持过程控制直到到达终端位置A2，这即是说，当终止位置A2小于现在的APOS位置时，孔口内径的测绘过程已完成（图3程序46）。当 完成测绘验算（程序44）之后，将进行螺旋式移动（程序48）以将传感器组件从一个最新测到的园周及轴向位置移动到另一个园周及轴向位置。为了阻止由于扫描头卡盘沿孔口表面轴向滑动而损伤转子，螺线式移动是较优方法，但它不是唯一可行的移动方法。在螺线移动过程的末尾，传感器组件作园周旋转（程序50）达到第二个园周位置C2，它比C1要大。这种园周旋转保证了在流量过程中扫描头机构的机械间隙不变且与校验过程之间隙一样大。在园周位置（2上，图1中的四个传感器10-16的表面反射时间被记录下来（程序52）。反射时间用于对由四个传感器测到的直径D_i进行计算（程序56），计算中采用被校正了的水速Vw，校验直径DCAL以及校验传送时间TC_i，然后即可通过取平均值（程序58）得到所测直径D。一旦得到平均直径，则转子组件的真实轴向位置2将通过将一个轴向偏移AOFF加到当前的轴向位置APOS上而得到。轴向偏移AOFF可以是在一个参考位置与转子孔口的起点或开头位置A1之间的距离。一旦算出真实的轴向位置2，则平均测量直径D与真实的轴向位置将被存储（程序62）作为以后之参考。一旦在当前真实的轴向位置下的直径D被存储起来，则轴向位置APOS将通过增加一个轴向增量而得到校正，作为下一次测量用。轴向增量AINC决定直径测量的轴向分辨率，并可以达到与测绘传感器射线的直径一样细，然而，测绘典型转子的适当的增量值约为1.12厘米（半吋）。

当附有探测传感器的扫描头在轴向以较高分辨率（即较小的增量）而移入转子孔口内1.12厘米增量值时，孔口直径将被典型记 录下来以便当进入孔口直径的渐变区段时使用。当在孔口测绘过程中和放入过程中，扫描头沿孔口作轴向移动时，以及在超声波检查过程中扫描头自转子回缩时，使用有关孔口直径的信息来控制扫描头中心装置。于是，孔口直径传感器必然是进入孔口的第一传感器。通常，标绘出孔口直径，以便确定孔口的范围，在此范围内扫描头盘架的直径是可以变化的，当过渡到直径渐变区域时，可使扫描头保持在正确的对准位置。

在斜切方式下进行转子孔口的超声波检查时，一个径向偏移的超声波传感器将在孔口内作环形移动。传感器是径向偏移的，因此，孔口内部的射线便处于一个径向-园周平面内，且不垂直投射到孔口表面上。当传感器在液态耦合介质内工作，而不与孔口相接触时，在决定被检查出的裂缝之记录深度及位置的计算中，一个关键性因素是超声波从传感器投射到孔口表面再返回所需时间之精确度。在斜切方式下进行检查的过程中，转子内的探寻射线便以斜切方式进行分布，而径向偏移探测传感器所发射的超声波在入射点上以和正切相关的某一角度射击孔口。从孔口反射的任何能量都不能被探测传感器探测到，因此，不能直接测量到表面时间。本发明通过如图4那样在与探测传感器72相隔一个已知的几何距离处设置一个测距传感器70而解决了此问题。测距传感器70用来测定探测传感器72超声波的表面时间。这是通过测量测距传感器脉冲的反射时间和通过已知的几何关系计算出探测传感器所发射的超声波在水中的通过时间而达到的。当由于孔口直径的变化而引起表面时间变化时，被探测传感器72所探测到的转子内部损伤部位可以针对在检查过程中由于直径的变化及由此引起的排列格局的变化带来表面时间的变化而作出调节。

测距传感器70是一个扁平的或非聚焦压缩式发射器，与过去所讨论的孔口测绘传感器一样，而探测传感器则是一个聚焦射线装置。探测传感器被设计在斜切方式下工作并在转子内产生直径约0.1厘米（0.04吋）的射线，其自孔口表面的焦深约2.54厘米（1吋）。这种聚焦传感器系由若干卖主处买来，所推荐的可用传感器得自纽约科学技术学院。测距传感器70尽可能轴向靠近探测传感器72并朝径向发射射线74，该射线与孔口表面28正交。测距传感器70所产生的超声波射线74必须与探测传感器72所产生的射线76一样，实际上射击到孔口表面的同一个园周位置上，以便使对表面时间的校正达到精确。完成此处所讨论的计算任务所使用的电子部件示于图2。

为了进行表面时间校正，必须知道以下两个时间，这就是：在校验孔内进行校验时的测距射线表面时间，它就是超声波从测距传感器70发射到孔口表面28再返回的时间，再就是在校验过程中的检查射线表面时间，它就是超声波76由探测传感器72发射到孔口表面28并返回的时间。校验用的测距射线的表面时间可以通过将一个超声波脉冲自校验孔口表面反射出来的方法，同时测定在脉冲发生及接收之间所耗用之时间而直接测出来。校验用检查射线的表面时间却不能直接测出，它必须通过对在校验孔口的已知位置上的反射部分所测量的传送时间，和返回到表面的时间来推算，才能得出表面时间。

通过将图4之传感器结构放入一个已知直径的校验孔内来校验检查射线，校验孔具有已知位置的反射部分，诸如侧面的钻孔，平底孔或园周底孔。在校验过程中，为了得到检查射线的表面时间，检查射 线要从数个反射部分反射出来，诸如图4中已知角度及直径位置的反射部分78便是，检查射线的表面时间是利用一个非线性的最小二乘方曲线适应法来决定的。

在检查过程中，即时的测距表面时间Tr可用测距传感器70来测量。由于从测距传感器70及探测传感器72所发射的超声波在同一个园周位置上射入孔口表面28，可利用即时测距表面时间Tr与校验时的测距表面时间T_rc之差再加上校验时的检查射线表面时间Tic，根据下式将即时的检查时间T_i算出：

T_i＝Tic+（Tr-Trc）/cosq （3）

角q为测距传感器70与探测传感器72所发射的超声波射线之间的夹角，如图4所示。

可根据图5的程序框图对于转子孔口表面周围的许多点的表面时间进行校正。首先，将园周位置置定为0°（程序84），如果针对转子孔口表面28的全环路所进行的表面时间校验已完成（程序86），这就是说，如果针对一个完整的360°旋转所进行的即时检查表面时间已经完成，那末，此时轴向位置之任务即已完成（程序88）。否则，即时测距时间Trn将被记录下来（程序90）。然后，根据过去所讨论的方程式计算出即时的检查表面时间Tin（程序92）。一旦即时检查表面时间Tin到算出来，该时间与即时的园周位置CPOS一起被储存起来留作后用。有一种可供采用的变通方法是，如果探测传感器72随后发射一个检查脉冲;则可立即利用即时检查时间来校正裂缝位置。在裂缝位置被校正或被校正过的表面 时间被储存之后，则注脚n及即时位置CPOS随即被修正。园周增量CINC（以度计）可以与园周发射的位置分辨率一样小，但在实际上，此增量为1.4度。然后，将图4的传感器组件移至被校正过的园周位置上，再在该点执行测量与计算环路。一旦完成转子孔口全环路的射线测定，便有可能将传感器组件作轴向移动并记录另一组校正时间，这些校正时间可称为校正时间曲线。

图6表示当扫描头沿箭头方向移出孔口以执行一次检查时，测距传感器70与探测传感器72之间的轴向关系。传感器之间的距离为扫描头的构造所决定，就推荐的扫描头构造而言，此距离约为5.08厘米（2吋）。图6所描绘的轴向关系适宜于产生校正曲线，这些曲线被加入有关运用的探伤闸门（flaw    gates）中，对探伤位置应用表面校正时间以进行同样校正。

图7表示当校正过的表面时间被即时地用于校正裂缝探测位置时测距传感器70与探测传感器72之间的轴向关系。

附图中所用参考号的核对表：

说明    参考号    图号

脉冲发生器    32    2

脉冲接收器    34    2

超声波数据收集系统    36    2

计算机    38    2

起动    40    3A

置定轴向位置至A1    42    3A

执行否？APOS＞A2    44    3A

执行    46    3A

螺线移动至APOS及C1    48    3A

园周移动至C₂50 3A

根据4个传感器记录    52    3A

时间T1、T2、T3、T4

计算4个直径D1，D2，D3，D4

D₁＝DCAL+（T₁-TC₁）VW 56 3B

从平均直径得到最终直径D

D＝（D1+D2+D3+D4）/4    58    3B

计算真实的轴向位置

Z＝APOS+AOFF    60    3B

储存数据对（D，Z）    62    3B

APOS＝APOS+AINC    64    3B

起动    82    5

置定园周位置（CPOS）至0°    84    5

执行否？CPOS≥360°    86    5

执行    88    5

记录Trn    90    5

计算即时检查的

表面时间Tln

T₁n＝T₁c+（Trn-Trc）/cosq 92 5

储存CPOS及Tln    94    5

n＝n+1

CPOS＝CPOS+CINC    96    5

沿园周移动至CPOS    98    5

Claims (5)

1、一个用于透平转子孔口(28)的孔口测绘装置，包括：一个按斜切波方式工作的探测传感器(72)，它产生一束检查射线(76)射入在孔口周围的转子孔口表面(28)；

一个垂直测距传感器(70)，它产生一束超声波测距射线脉冲(74)与探测发射器(72)的射线成一已知角q，并在圆周位置上垂直射至孔口表面(28)，同时接受从孔口表面(28)反射回来的测距射线脉冲；

其特征在于：

上述的两种传感器都被安装在一个定位装置上；表面时间计算装置(38)，它接收来自所述传感器的信号，并以给定的方式利用这些信号，测量测距射线脉冲(74)的传送及反射之间的测距射线传送时间Tr，依据公式Tj=Tic+(Tr-Trc)/cosq，计算出表面时间Ti，式中Tic为校验检查时间，而Trc为在一个校验孔口内产生的校验测距时间，该孔口对于不同的圆周位置产生不同的表面时间。

2、一种透平转子孔口测量方法，其特征在于它包含以下步骤：

（a）用在校验孔口内的一个测距传感器（70）来测量其校验测距射线的表面时间，并用在校验孔口内的探测传感器（72）来决定其校验检查射线的表面时间，同时测量校验孔口直径;

（b）按程序98将测距传感器固定设置在测量孔口（28）内某一园周位置上;

（c）按照程序90，用由测距传感器（70）所发射的测距脉冲（74）测量其测距传送时间，该射线系由被测孔口表面（28）反射回来并被测距传感器（70）所接收;及

（d）按照程序92，根据测距传送时间，校验测距时间、校验检查射线表面时间、及在测距传感器（70）及探测传感器（72）之间的已知夹角而算出由探测传感器（72）发射的一束检查射线（76）的表面时间。

3、一种根据权利要求2的方法，其特征在于步骤（a）包括以下步骤：

（aⅰ）为测距传感器（70）及探测传感器（72）在校验孔内定位;

（aⅱ）测量测距射线（74）的传送时间作为校验测距射线的表面时间;及

（aⅲ）通过将一束检查校验射线（76及80）由校验孔内的参考反射部分（78）反射回来以决定校验检查射线的表面时间，并利用探测传感器（72）及参考反射部分之间已知的几何关系来算出校验检查射线的表面时间。

4、一种如权利要求2的方法，其特征在于还包括步骤（e），即按照程序92算出对于若干个圆周孔口位置的表面时间。

5、一种根据权利要求4的方法，其特征在于还包括步骤（f），该步骤用来算出针对若干个轴向孔口位置的表面时间。

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